서강대학교 문준혁 교수 연구실

연구실 개요

나노소재 및 소자 (Nanostructured Materials & Device Lab)에서는 재생자원인 메탄 가스를 상온에서 전기화학적 방법으로 전환하기 위한 전기화학 촉매 개발 및 촉매 공정 개발을 연구하고 있다. 전기화학적 촉매를 이용한 메탄전환 연구는 아직 많은 연구결과가 보고되지 않아 도적적이면서도 기후변화에 대응할 수 있는 중요한 연구이다. 본 연구실에서는 다양한 전기화학 산화촉매를 합성하고 메탄 활성화와 산화반응의 메커니즘을 분석하며, 촉매의 나노기공구조를 제어하여 촉매효율의 향상을 통한 반응을 개선하는 연구를 수행하고 있다. 또한 고효율의 촉매를 담지할 수 있는 다공성 촉매담지체 개발을 진행하고 있다. 촉매 동시에 메탄의 높은 전환율 및 생성물 수율을 얻기 위한 공정개발도 진행하고 있다.

주요 연구 내용 소개

1. 전기화학적 메탄 산화 연구 메탄은 탄소-수소 결합에너지가 (>100 kcal/mol)로 모든 탄화수소 중 가장 높은 결합에너지를 갖고 있기에 화학적으로 매우 안정하여 활성화시키는데 큰 어려움이 있다. 또한 메탄 전환을 위해서는 고온의 에너지가 필요하다. 우리 연구팀은 전기화학적 다공성촉매를 개발하여 메탄을 활성화시키는 연구를 진행하고 있으며, 고온의 에너지 소비를 줄이기 위해 전기화학시스템을 도입하여 상온에서 메탄을 활용 가능한 생성물로 전환하는 연구를 진행하고 있다. 또한 전기화학반응을 통해 높은 선택도의 생성물 확보 및 생성량 증가, 전기화학적 시스템의 최적화를 목적으로 연구를 진행하고 있다.
(그림 2).

2. 전기화학 촉매 전극 연구 전기화학적 메탄 전환이 공정성을 확보하기 위해서는 대면적 촉매전극의 합성이 필수적이다. 본 연구실에서 독자적으로 보유하고 있는 기술로 나노구조 카본 소재를 적용하는 연구를 수행하고 있다. 대표적으로는 고농도 분산이 가능한 탄소나노튜브입자 및 단분산 고분자 유래의 탄소입자를 이용하여 대면적으로 전도성 기판을 형성하고, 촉매를 분산하는 연구를 진행하고 있다.

3. 전기화학적 메탄산화 공정 연구 전기화학적 메탄 전환은 메탄을 수용액에 포화시켜 진행된다. 메탄의 낮은 포화도를 극복할 수 있는 공정의 연구가 필요하다. 본 연구팀은 고압 반응기 등을 적용하여 메탄 포화도를 증가시키는 것이 메탄전환의 목표이며, 또한 새로운 반응 메커니즘을 개발하고 적용하여 다양한 방법을 이용한 물질전달 향상을 통해 반응 수율을 개선하는 연구를 진행하고 있다. 한편, 전기화학적 메탄 전환에 있어 필요한 전기에너지를 차세대 고효율 태양전지로 공급하는 텐덤 시스템도 연구하고 있다.

연구실 현황